本技术介绍了一种新型铂原子层覆盖碳化钼纳米颗粒的制备工艺。该工艺涉及将钼前驱体、油胺和十八烯混合制成反应液,并在氮气环境下加热后降温,最后进行离心处理以获得所需纳米颗粒。
背景技术
随着人类社会的工业化、现代化进程加快,汽车、化工、医药、石油、能源、环保等领域蓬勃发展,目前已成为了现代工业的主体。而在这些产业中,贵金属材料作为催化剂都发挥着至关重要的作用。然而,这些元素在地壳中的含量却很低,我们必须考虑如何更经济地使用它们,以确保未来走向一条更经济、环保、可持续发展的工业化道路。因此,在设计催化剂时,我们往往期望尽可能地减少贵金属的用量,充分地暴露贵金属原子,提高有效催化位点的数量,从而最大限度地利用贵金属资源。减小贵金属纳米颗粒的尺寸是最直接提升贵金属原子利用率的方法,因为随着颗粒尺寸减小,比表面积增加,颗粒表面被暴露出的原子比例也随之增加。除此以外,颗粒尺寸减小会导致颗粒表面低配位活性位点增多,因此实际上更小尺寸的纳米催化剂中单个金属原子所拥有的比活性更高。而当我们无限减小纳米颗粒的尺寸,直至只剩单个金属原子时,则可以最大限度的利用贵金属资源,这便是研究人员们在近几年所提出的单原子催化剂策略。
单原子催化剂是将孤立的金属原子作为活性位点锚定在合适的载体上所形成的一类催化剂,而近年来,研究人员通过实验对比发现以碳化钼作为载体的单原子催化剂(如单原子铂/碳化钼催化剂、单原子钯/碳化钼催化剂、单原子金/碳化钼催化剂等)在许多C1分子的催化转化过程中都展现出了十分出色的催化活性(包括低温水煤气变换反应、一氧化碳氧化反应、甲醇水蒸气重整制氢反应、二氧化碳加氢反应、二氧化碳还原反应等)。因此,碳化钼基单原子催化剂近年来也备受研究人员们的关注,成为了新一代很有前途的多相催化剂之一。
然而,虽然碳化钼基单原子催化剂在一些特定的反应中展现出了出人意料的优异活性,但实际上单原子型催化剂只具备一种特定结构的反应位点,因此对于那些涉及多个反应中间体,或多个反应步骤的复杂反应来说,单原子型催化剂的催化活性便很难被进一步优化。除此以外,对于那些需要连续活性位点进行催化的反应来说,单原子型催化剂往往不能表现出令人满意的催化活性。例如,JoséARodríguez课题组在研究金/碳化钛体系对一氧化碳氧化反应的催化性能时,便发现负载在碳化钛表面的Au2
位点(即2个金原子相连的位点)很难解离氧气分子,这严重阻碍了一氧化碳的氧化过程。而当增加相连的金原子数量时,便可以减小解离氧气分子所需跨越的能垒,加快反应速率。
各种实验结果表明,碳化钼基单原子催化剂在未来的实际应用中是会受到局限的,而进一步的,我们可以在稳定的碳化钼载体上构建贵金属的单原子层来解决这一问题。与单原子催化剂相比,单原子层催化剂同样保证了贵金属原子百分之百的利用率,贵金属单原子层也同样会受到载体所带来的显著应变效应与配体效应的影响。但不同的是,单原子层催化剂表面贵金属原子彼此相邻,多个贵金属原子可以共同组成多种有利于中间体吸附的催化位点,并且各反应活性位点之间具有连续性,这可以在本质上打破单原子催化剂存在的应用限制。然而,想要成功制备碳化钼基单原子层催化剂却是十分困难的,因为碳化钼与贵金属之间存在很大的属性差异与晶格失配,这导致迄今为止还没有报道过可以可控合成这样异质结构的方法。YuriyRomán-Leshkov课题组曾报道过利用高温热解与还原的方法制备相似的铂包覆碳化钛核壳结构纳米催化剂,然而在该制备方法中,不仅反应温度达到了900℃,并且为了避免纳米颗粒高温烧结研究人员还采取了二氧化硅限域策略,反应结束后还需用氢氟酸刻蚀掉限域材料。除此以外,高温煅烧的方式并不能精准控制铂在碳化物表面的生长,因此一旦形成铂岛,或多原子层厚的铂外壳时,便大大削弱了碳化物基体对贵金属的调节作用,也增加了催化剂的成本。因此,目前我们亟需一种节能、简便、精准的调控铂以单原子层的形式在碳化钼颗粒表面生长的方法。
实现思路